SUBI - Safety of Underground Gas Storage Sites

Geodätisches Monitoring

Das geodätische Monitoring wird vom Geodätischen Institut des KIT durchgeführt

Untersuchungsgebiet

Der in Norddeutschland nahe der niederländischen Grenze gelegene Kavernenspeicher Epe wurde aus einer Salzlagerstätte der niederrheinischen Salzfläche gesohlt, die sich unter der Oberfläche der norddeutschen Tiefebene und eines Teils der Niederlande erstreckt. Die derzeit 114 Kavernen werden von insgesamt 8 Unternehmen, die unabhängige Betriebsstrategien verfolgen, zur Soleproduktion und zur Lagerung von Erdgas, Helium und Erdöl genutzt. Einige der Industriepartner des SUBI-Projekts, die Salzgewinnungsgesellschaft Westfalen (SGW) und Uniper, sind maßgeblich an dem Untergrundspeicher beteiligt.

Kavernenkonvergenz und betriebliche Druckänderungen verursachen lineare bzw. zyklische Oberflächenverschiebungen. Der lineare Teil wird regelmäßig durch Nivellierungskampagnen überwacht, die einmal pro Jahr von den Projektpartnern durchgeführt werden. Im Rahmen von SUBI nutzt das Geodätische Institut des KIT das Potenzial der SAR-Interferometrie (InSAR) zur Quantifizierung nichtlinearer Bewegungen über der Lagerstätte. Die SAR-Interferometrie ist eine Methode zur flächenhaften Erfassung von Oberflächenverschiebungen aus Radarbildern, wobei natürliche Retro-Reflektoren (→ Persistent Scatterer) mit zeitlich stabilen Signaleigenschaften verwendet werden. Eine kurze Einführung in die Methode finden Sie am Ende des Textes.

Beobachtungen

Auf der Basis mehr als 100 aufeinanderfolgenden Radarszenen wurden Verschiebungszeitreihen für mehrere hundert InSAR-Rückstreuer erstellt, die einen detaillierten Einblick in den zeitlichen Verlauf der Bodenbewegungen im Zeitraum vom 03.02.2015 bis zum 18.03.2018 geben.

Die Analyse der InSAR-Zeitreihen zeigt drei wesentliche Signalbeiträge:

  • ein linearer negativer Trend mit einem Maximum von 20 mm/Jahr in der Mitte des Gasspeicherfeldes, der auf eine fortschreitende Absenkung der Oberfläche hinweist (Abb. 1). Die Absenkung wird durch die kontinuierlich voranschreitende Verringerung der Kavernenvolumen aufgrund der plastischen Deformation des Salzkörpers unter den vorherrschenden Differenzspannungen innerhalb und außerhalb der Kavernen verursacht. Die individuellen Konvergenzraten hängen von den Betriebsstrategien der Unternehmen ab, die den Speicher derzeit nutzen.
  • nichtlineare, zyklische Oberflächenverschiebungen von bis zu +/- 6 mm mit einer Periode von etwa 12 Monaten, die die über die Jahreszeiten wechselnden Ein- und Ausspeichermengen des Erdgases widerspiegeln (Abb. 2 und 3). Eine Besonderheit des zyklischen Oberflächenverhaltens ist eine Verzögerung von etwa 80 Tagen gegenüber den Druckänderungen im Inneren der Kavernen. Diese Verzögerung ist eine weitere Folge der plastisch/viskosen Deformationseigenschaften des Salzes und lässt sich gut durch ein einfaches visko-elastisches Modell (→ Kelvin-Voigt-Körper) erklären. Die Reaktion der Erdoberfläche unterscheidet sich damit von porösen Speichermedien, bei denen die Reaktion als elastisch beschrieben werden kann und die zeitliche Entwicklung der Verschiebung stark mit der zeitlichen Entwicklung des Kavernendrucks korreliert ist.
  • eine saisonale Komponente, die sich auf ein Ensemble von InSAR-Punkten über Moorgebieten beschränkt, wo Grundwasserspiegeländerungen ausgeprägte Oberflächenverschiebungen verursachten (Abb. 2 und 3). Ein geeignetes Modell wurde aus einer vorläufigen InSAR-Analyse extrahiert und durch den Vergleich mit den Wasserständen von Beobachtungsbrunnen in diesem Gebiet bestätigt.
Abbildung 1. (links): Überblick über das Kavernenfeld Epe. Weiße Symbole kennzeichnen Gaskavernen, schwarze Symbole fluidgefüllte Kavernen. Blaue Punkte kennzeichnen die Lage der für diese Studie verwendeten Brunnenpegel. Farbige Kreise zeigen die Lage der Nivellierungspunkte und die mittlere (lineare) Absenkung an. (rechts): Lage und mittlere Verschiebungsraten in der Schrägentfernung (LoS) der stabilen Rückstreupunkte für die absteigende Überflugbahn des SAR-Satelliten Sentinel.

 

Abbildung 2. Modelle für die zyklische Signalkomponente. Oben: Druckabhängigkeit. Die grüne Modellkurve wurde aus dem zeitlichen Verlauf des Kavernendrucks über einen visko-elastischen Ansatz mit einer Retardationszeit von 84 Tagen berechnet. Unten: saisonale (grundwasserinduzierte) Signalkomponente. Die blaue Vergleichskurve zeigt den Pegelstand eines Brunnens im westlichen Teil des Kavernenbereichs. Sternsymbole kennzeichnen den Median der Zeitreihe für Ensembles von stabilen Rückstreupunkten, in denen das jeweilige Signal prominent auftritt. Die Signalphase wurde noch nicht in Längeneinheiten umgerechnet.

 

Abbildung 3. (links): der druckabhängige Signalanteil. Dargestellt ist die maximale Doppelamplitude des zyklischen Signals. Die Druckabhängigkeit konzentriert sich auf den Bereich oberhalb der gasgefüllten Kavernen (vgl. Abb. 1). (rechts): die grundwasserinduzierte (saisonale) Signalkomponente. Dieses periodische Signal tritt im Bereich von zwei Mooren auf und steht nicht im Zusammenhang mit dem Kavernenbetrieb.

 

Vertikale und horizontale Verschiebungskomponenten

Da die Blickrichtung des Radarsystems um einen Winkel von etwa 30° aus der Vertikalen abgelenkt wird (die so genannte Sichtlinie, LoS), können die InSAR-Ergebnisse nicht direkt mit den Nivellement-Daten verglichen werden. Eine Trennung von Vertikal- und Ost-Westbewegungen wurde mit Hilfe von Radarbildern durchgeführt, die sowohl von aufsteigenden als auch von absteigenden Bahnen aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Interpolations- und Kombinationsansätze getestet. Es zeigt sich, dass sowohl die lineare Absenkung als auch das Druckverhalten der Oberfläche erhebliche Horizontalkomponenten aufweisen, da die Quellen in einer Tiefe von mehr als 1000 m liegen (Abb. 3 und 4). Im Gegensatz dazu enthalten jahreszeitliche Oberflächendeformationen über dem Moor, verursacht durch Grundwasserspiegeländerungen direkt unter der Oberfläche, im Wesentlichen lediglich vertikale Verschiebungsanteile. Die Validierung der Befunde mit der Ground Truth aus Nivellements und Grundwasserstandsmessungen zeigt eine gute Übereinstimmung.

Abbildung 4. Lineare Signalkomponente nach der Kombination von aufsteigenden und absteigenden Bahnen. (links): vertikale Komponente. (rechts): horizontale Komponente. Es ist deutlich zu erkennen, dass die "Moor-Punkte" im westlichen Teil des Speicherfeldes das durch die Konvergenz der Kavernen verursachte Signal sinnvoll repräsentieren und daher für eine Verformungsmessung geeignet sind.

 

Abbildung 5. Druckabhängige Signalkomponente nach der Kombination von auf- und absteigenden Bahnen. (links): vertikale Komponente. (rechts): horizontale Komponente.

 

Modellierung

Zur Unterstützung der InSAR-Prozessierung und zum Nachweis, dass das Modell eines Kelvin-Voigt-Körpers zu Oberflächenverschiebungen in einer sinnvollen Größenordnung führt, wurde eine einfache geophysikalische Modellierung durchgeführt. Der analytische Modellierungsansatz geht davon aus, dass Kavernen als kugelförmige Druck- oder Volumenquellen wirken, die in einen elastischen Halbraum eingebettet sind. Das räumliche Muster der Oberflächenbewegungen resultiert aus der Superpositionierung der Verschiebungen durch jede einzelne Quelle. Dabei wird angenommen, dass jede Kaverne von einem kugelförmigen Salzmantel umgeben ist, der für die visko-elastische Druckverzögerung verantwortlich ist. Von der Außenfläche des Salzmantels wird der Druck elastisch zur Oberfläche übertragen. Das Modell wird sowohl zur Beschreibung der Parameter der linearen Komponente der Oberflächenverschiebungen als auch der zeitliche variablen Druckantwort verwendet.

Aus einer Anpassung des Modells an die beobachteten Oberflächenverschiebungen können Konvergenzraten zwischen 0,1 % und 2,7 % und Druckschwankungen von bis zu 50 bar innerhalb der Kavernen abgeleitet werden. Diese Werte sind von plausibler Größenordnung, wobei eine quantitative Validierung noch aussteht, da keine absolut skalierten Druckzeitreihen zur Verfügung stehen. Letztere fallen unter die Geschäftsgeheimnisse der Unternehmen und sind daher nicht freigegeben.

Animation der modellierten Oberflächenbewegungen der Jahre 2015-2017

Das Signal besteht aus einem linearen Anteil, der sich auf die Konvergenz der Salzkavernen zurückführen lässt, und einem druckabhängigen Anteil

Was ist SAR-Interferometrie?

Die SAR-Interferometrie ist eine satellitengestützte Methode zur Messung von Verformungen der Erdoberfläche. Die beiden Radarsatelliten Sentinel 1a und Sentinel 1b nehmen alle sechs Tage ein Intensitätsbild des Untersuchungsgebietes auf und zeichnen die Laufzeiten des Radarsignals zwischen Antenne und reflektierenden Objekten an der Erdoberfläche auf. Die Radarechos werden in Schrägsicht (→ Line of sight, LoS) aufgezeichnet, die um etwa 30° aus der Vertikalen ausgelenkt ist. Es stehen zwei Abbildungsgeometrien zur Verfügung: auf der absteigenden Umlaufbahn überfliegen die Satelliten das Messgebiet von Nord nach Süd mit einer nach Westen blickenden Radarantenne, auf der aufsteigenden Umlaufbahn verläuft die Flugrichtung von Süden nach Norden mit einer nach Osten gerichteten Antenne.

Die Signallaufzeiten und damit die Entfernungen von der Antenne zur Erde werden durch die Signalphase ausgedrückt, die zwischen 0° und 360° variiert. Ein Radarbild besteht aus Millionen von Pixeln, von denen jedes eine 5 m x 20 m breite Zelle am Boden repräsentiert. Für Verformungsmessungen werden nur solche Pixel bzw. Bodenzellen verwendet, für die statistisch nachweisbar ist, dass ihre Rückstreueigenschaften zeitlich stabil sind. Stabile Rückstreubedingungen herrschen in städtischen Gebieten oder über felsigen und nicht bewachsenen Böden, während Intensität und Laufzeit der Radarechos über Wäldern, Feldern und Ackerland in der Regel starke zeitliche Schwankungen aufweisen.

Abhängig von der Wechselwirkung des Radarsignals mit dem Boden sind zwei Typen langzeitstabiler Radarechos bekannt: punktförmige Rückstreuung ("Persistent Scatterers" (PS)) und "Distributed Scatterers" (DS), bei denen Hunderte von sehr kleinen Objekten zum rückgestreuten Signal einer Bodenzelle beitragen. Der in SUBI verwendete Ansatz basiert auf einer Kombination beider Typen. Er umfasst eine DS-Vorverarbeitung analog der „SqueeSAR“-Methode (Ferretti et al. 2011), gefolgt von einer modifizierten Version von StaMPS v3.3b (Hooper et al. 2007), die eine gemeinsame Verarbeitung von vorprozessierten DS und PS (Even 2019) ermöglicht und die Phasenabwicklung (ein Prozess, der die 360°-Mehrdeutigkeit der Phase beseitigt) mit einem vorgewählten Phasenmodell unterstützt.

Kontakt:
Markus Even, Malte Westerhaus, Geodätisches Institut des KIT Karlsruhe Markus.even∂kit.edu, Malte.westerhaus∂kit.edu

Ein Teil der Arbeit wurde im Rahmen einer Masterarbeit von Verena Simon, jetzt bei der Bezirksregierung Köln, durchgeführt.

 

Referenzen

Even, M., 2019. Adapting StaMPS for Jointly Processing Distributed Scatterers and Persistent Scatterers. Inst. Electr. Electron. Eng. Int. Geosci. Remote Sens. Symp., 2046-2049.

Ferretti, A., Fumagalli, A., Novali, F., Prati, C., Rocca, F. & Rucci, A., 2011a. A New Algorithm for Processing Interferometric Data-Stacks: SqueeSAR, Inst. Electr. Electron. Eng. Trans. Geosci. Remote Sens., 49, 3460-3470.

Hooper, A., Segall, P. & Zebker, H., 2007. Persistent scatterer interferometric synthetic aperture radar for crustal deformation analysis, with application to Volcán Alcedo, Galápagos, J. Geophys. Res. Solid Earth, 112, 1-21.